科学惊人的新建筑模块 - 彭博社

乍一看，休斯顿莱斯大学的化学家理查德·E·斯莫利的实验室看起来更像是一个焊接作业而不是研究中心。在一个角落里，一台西屋弧焊机正在蒸发一根碳棒。在机器炽热的2500摄氏度的高温下，常见的碳原子——如铅笔芯中的碳——聚集在一起形成一团肮脏的烟灰。但这种黑色粉末中蕴含着化学的奇迹：碳原子以从未见过的形状结合在一起——分子足球、管状物，甚至是螺旋形。

在这些奇特形状的分子中，称为富勒烯，科学家们发现了一个诱人的可能性金矿。这种新型碳显示出独特的性质。科学家们表示，连接这些分子或进行其他化学操作，可能会创造出新的催化剂、超强塑料、无阻力传导电流的超导体，甚至是光开关。“我们正在玩弄全新材料的构建块，”斯莫利说。

突破。六年前，斯莫利和英国萨塞克斯大学的研究员哈里·W·克罗托在一起研究大分子时，发现了由60个碳原子组成的足球形结构。它们被称为“巴克敏斯特富勒烯”和“巴基球”，以发明家R·巴克敏斯特·富勒创造的穹顶结构命名。但这种物质——自19世纪以来发现的第一种新型碳——直到去年才引起关注，当时亚利桑那大学和海德堡大学的科学家们独立工作，找到了在电弧中生产数百万个富勒烯的方法。

自那时以来，像孩子们塑造橡皮泥一样，杜邦、NEC、AT&T以及加州大学洛杉矶分校、加州大学圣巴巴拉分校和莱斯大学等大学的研究人员一直在通过化学筛子挤压材料，在烤箱中烘烤，并用金属和塑料掺杂。12月5日，他们计划在波士顿的材料研究学会解释他们最新的成果。研究表明，科学家们刚刚开始解读这些惊人分子的性质，并猜测它们的最终应用。“我们还没有触及全氟烯工作可能带来的表面，”海军研究办公室的项目经理马克·M·罗斯说，该办公室资助了一些研究。

科学家们对全氟烯充满兴趣，因为碳在生活的各个方面都如此重要。它是碳水化合物、蛋白质、脂肪和细胞其他成分的基础。它也是工业经济的核心——在基于碳的化石燃料、基于石油的塑料和其他化学品中。碳原子之间还形成强键，这一特性赋予了钻石其强度。

全氟烯已经在帮助研究人员试图生产单一钻石晶体以制造超快计算机芯片。10月，西北大学材料研究中心主任罗伯特·张将石墨气化，并利用生成的全氟烯制作超薄膜。他能够在薄膜上生长多个钻石晶体。结果比在硅上进行的类似尝试好上千倍。下一个挑战是：找到一种方法，利用全氟烯薄膜培养电路所需的单一钻石晶体。

由于分子的形状在决定物质的性质中起着重要作用，科学家们相信奇特的富勒烯可能会开启新的世界。加州大学洛杉矶分校的化学家弗朗索瓦·N·迪德里希在九月份报告称，一些富勒烯的结构类似于人类基因在DNA中的双螺旋结构。更重要的是，螺旋状的富勒烯有右手和左手版本，类似于生物分子。“这是一个非常深刻的特性，”迪德里希说，他预测这两种版本可能帮助化学家生产更纯的药物，副作用更少。富勒烯还可以改变光的波长，这一特性最终可能被利用来生产用于通信的光开关。

夹紧和拉伸。十月份，NEC公司东京附近的基础研究实验室的研究员饭岛澄男宣布，他在显微镜下发现了烟雾中另一种形状：由多达20个相互嵌套的碳圆柱组成的管状分子。未来，这些无缺陷的管子可能会被开发为建筑材料中的超强纤维。

尽管研究才刚刚开始，富勒烯作为化学构建块却异常有前景，因为它们是“像原子一样行为的分子，”NEC实验室负责人谷垣克美说。如果科学家将非碳原子插入富勒烯或将其附加，所得到的分子将具有不同的化学和物理特性。最终，“我们可以制造出科学从未预测过的新分子，”谷垣说。

因此，研究人员热衷于在富勒烯之间或其表面串联从碘到钇和锂的各种原子，就像在圣诞树上挂爆米花一样。早期的结果令人着迷。在加州大学圣巴巴拉分校，化学教授弗雷德·伍德尔在一个富勒烯的表面上串联了类似氨的分子群：它变得具有磁性。伍德尔和其他人还在富勒烯之间挤入钾原子——它们变成了超导体。去年夏天，NEC的研究人员插入了铯和铷的原子。这将脆弱且不稳定的富勒烯的超导温度提高到-400华氏度，仍然远低于高温超导材料。但如果研究人员在碳球之间的间隙中插入钠原子，新的富勒烯则完全不导电——它们反而变成了绝缘体。

通过添加其他原子并利用富勒烯与其他物质反应的倾向，科学家们希望创造出新的医疗和工业催化剂。为了控制化学反应，催化剂打破并重新形成原子之间的键。事实证明，空心的巴基球从邻近原子中吸收电子，而螺旋形富勒烯的扭曲晶格则释放电子。杜邦公司的研究人员已经证明，他们可以通过将一个甲基原子团连接到巴基球上来制造富勒烯催化剂。巴基球从碳和氢原子团中夺取了三个电子。像这样吸收电子的分子在生产抗褪色的涂料和透明塑料（如杜邦的有机玻璃）中是重要的催化剂。

偶然发现。尽管实验室结果令人着迷，但在富勒烯成为工作材料之前，仍然存在许多障碍，这就是为什么一些科学家和机构尚未急于将他们的结果提交专利局。为了充分利用富勒烯的潜力，科学家们必须能够将外来原子插入分子中。这将需要他们打开碳原子之间的键，然后重新封闭它们。但他们在溶解将碳原子结合在一起的紧密键方面遇到了困难。到目前为止，标准技术——化学剥离、激光爆破和溶解大多数其他原子之间键的高温——都没有奏效。

科学家们还受到理论滞后的困扰，因为理论尚未跟上新实验室发现的快速发展。现有理论主要基于较小分子的行为，无法充分解释这些新奇结构的行为。

对富勒烯行为的更好理解可能会产生深远的影响。例如，准确了解富勒烯如何成为超导体，可能会导致其他类型超导体的改进。如果对富勒烯的研究能够做到这一点，“这本身就很重要，”埃克森美孚公司企业研究实验室的富勒烯研究主任安德鲁·卡尔多尔说。

就他而言，斯莫利正在领导测试富勒烯在外部、内部或之间附加金属时会发生什么的热潮。他自信地设想有一天，富勒烯将像乐高积木一样拼接在一起，创造出生产催化剂的微型工厂。事实上，富勒烯的潜力是如此惊人，以至于研究人员预计在未来几年将会手上沾满烟灰。